اختصاصی شبکه علمی ثریا- اگر قرار است گذار ما به سمت انرژی های تجدیدپذیر موفقیت آمیز باشد به وسیله ای مناسب برای ذخیره گرما و برق اضافی نیاز خواهیم داشت. سوئیس قصد دارد تا سال ۲۰۵۰ به سیستم انرژی صفر خالص تبدیل شود. برای دستیابی به این هدف باید سوخت های فسیلی را با انرژی های تجدیدپذیر جایگزین کند. دولت سوئیس همچنین تصمیم گرفته است که انرژی هسته‌ای را به تدریج حذف کند. در نتیجه برنامه‌های آن برای خنثی‌سازی کربن نه تنها به برقی‌ کردن حمل‌ونقل و گرمایش با وسایل نقلیه الکتریکی و پمپ‌های حرارتی نیاز دارد بلکه به اقداماتی برای جبران از دست دادن ظرفیت تولید هسته‌ای نیز نیاز دارد. برای برآورده کردن افزایش تقاضای انرژی سوئیس در درجه اول به منابع انرژی آبی و فتوولتائیک و تا حد کمتری به نیروی باد متکی خواهد بود.

اما در مواقعی که خورشید نمی تابد و باد نمی وزد چطور؟ گابریلا هاگ، استاد آزمایشگاه سیستم های قدرت در (ETH) زوریخ می گوید: شبکه باید دائماً نوسانات در تولید انرژی های تجدیدپذیر را هموار کند و عرضه را با تقاضا مطابقت دهد. او که ریاست مرکز علوم انرژی را نیز بر عهده دارد اخیراً مدل‌سازی را منتشر کرده است که نشان می‌دهد یک سیستم انرژی تجدیدپذیر هم از نظر فنی و هم از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه وامکان پذیر است. وی گفت: بدیهی است که کار ساده ای نخواهد بود و بدون ذخیره سازی موثر انرژی، انتقال به انرژی های تجدیدپذیر  امکان پذیر نخواهد بود. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، شبکه را تثبیت می‌کنند و ظرفیت لازم برای جبران نوسانات تولید را از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، باد و آب فراهم می‌کنند. این به فناوری‌هایی نیاز دارد که بتوانند به‌طور کارآمد برق و گرما را به شکلی تبدیل کنند که بتوان آن را ذخیره کرد و در صورت نیاز چه به صورت فصلی وچه دقیقه به دقیقه دوباره به شبکه وارد کرد.

اگر سوئیس شروع به سرمایه گذاری بیشتر در فتوولتائیک کند در نهایت در ظهر یک روز تابستانی انرژی بیشتر از نیاز خود تولید خواهد کرداما بزرگترین چالش سوئیس در واقع ذخیره سازی طولانی مدت انرژی است. این کشور در حال حاضر برق بسیار کمی در زمستان تولید می کند و برای پوشش تقاضای افزایش یافته به واردات متکی است و این عدم تعادل فصلی تنها با افزایش سرعت انتقال به انرژی های تجدیدپذیر ممکن خواهد شد.  متخصص مدل‌سازی سیستم‌های انرژی در (ESC) می‌گوید: نیروگاه‌های فتوولتائیک در تابستان برق مازاد تولید می‌کنند اما در زمستان خورشید ضعیف‌تر می‌شود و پمپ‌های حرارتی خانه‌های مردم را گرم نگه می‌دارند در این زمان است که شاهد شکاف بین عرضه و تقاضای انرژی هستیم. سوال کلیدی برای سوئیس این است که چگونه این انرژی خورشیدی اضافی را از تابستان تا زمستان ذخیره کند.

با افزایش آشکار تقاضا برای سیستم‌های ذخیره‌سازی( Hug) استدلال می‌کند که ایمن‌ترین رویکرد سرمایه‌گذاری در فناوری‌های جاافتاده و نوظهور است. با این حال ذخیره انرژی نباید به خودی خود یک هدف تلقی شود. ذخیره سازی بسیار مهم است، اما این تنها راه برای  برای رسیدن به این هدف نیست. او معتقد است که ما باید از روش‌های غیرمستقیم ذخیره انرژی و همچنین ظرفیت ذخیره‌سازی فیزیکی بهره ببریم. او می گوید: ما باید رویکردی ترکیبی داشته باشیم. بخش‌های زیر برخی از روش‌هایی را که ممکن است در این ترکیب وجود داشته باشد، ارائه می‌کند.

جریان رودخانه و ذخیره سازی پمپ شده به عنوان ذخایر بافر:

رابرت بوز، استاد مهندسی هیدرولیک (ETH) انرژی آبی را ستون فقرات سیستم برق سوئیس می داند: هیدرو مهمترین دارایی انرژی سبز ما است که حدود ۶۰ درصد از تولید انرژی های تجدیدپذیر ما را تشکیل می دهد. توانایی آن در ذخیره انرژی ودر استراتژی خالص صفر ما نیز نقش کلیدی ایفا می کند. نیروگاه‌های برق آبی آب را مستقیماً به توربین‌های تولید برق هدایت می‌کنند تا نیروی بار پایه تجدیدپذیر را تامین کنند. این نوع نیروگاه‌ها برخلاف نیروگاه‌های مخزنی که می‌توانند آب را ذخیره کنند تا ظرفیت تولید انعطاف‌پذیری را در صورت تقاضا فراهم کنند، عملکرد ذخیره‌سازی ندارند. مخازن بزرگ در آلپ در درجه اول به عنوان نوعی ذخیره انرژی فصلی عمل می کنند.

بوز می‌گوید: باران و آب ناشی از ذوب برف ها که در بهار و تابستان جمع‌آوری می‌کنند می‌تواند برای تولید برق در زمستان استفاده شود. با این حال، هر چقدر هم که این دریاچه های بزرگ انرژی تولید کنند هنوز قادر به ذخیره هیچ یک از آن نیستند. فقط نیروگاه های ذخیره سازی پمپ شده توانایی ذخیره برق را دارند. آنها این کار را با پمپاژ آب از یک مخزن پایین به یک مخزن بالا و سپس تخلیه مخزن بالایی از طریق توربین ها برای تولید برق در صورت نیاز انجام می دهند. در حال حاضر، ذخیره سازی پمپاژ هیدروالکتریک تنها فناوری اثبات شده برای جذب و انتشار مقادیر زیادی برق است.

قابلیت‌های ذخیره‌سازی قدرتمند و انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد و این آن را به انتخابی عالی برای متعادل کردن  شبانه روزی تولید برق فتوولتائیک تبدیل می‌کند. با این وجود، ظرفیت آن به اندازه کافی برای حل تغییرات فصلی در تولید برق گسترش نمی یابد. یکی از راه‌های کاهش شکاف انرژی در زمستان ساختن مخازن بیشتر است، اما این رویکرد بحث‌برانگیز است. چنین پروژه هایی اغلب با اهداف حفاظت از طبیعت مغایرت دارند و با مقاومت مواجه می شوند. بوز می‌گوید: فکر نمی‌کنم این گزینه امیدبخش باشد. انرژی آبی یک فناوری بالغ و بسیار کارآمد است اما به جنبه های زیست محیطی مانند مدیریت مسئولانه آب توجه کافی نشده است. محققان آزمایشگاه هیدرولیک، هیدرولوژی و یخبندان( ETH) زوریخ در حال حاضر به دنبال راه‌هایی هستند تا انرژی آبی را دوستدار محیط زیست کنند. به عنوان مثال می توان به تونل های بای پس بهبود یافته برای رسوبات و نردبان های ماهی برای هدایت ماهی ها از کنار ورودی های مخزن و توربین ها اشاره کرد.  انرژی آبی تا زمانی که برای حفاظت بیشتر از تنوع زیستی تلاش نکند، مقبولیت گسترده‌ای به دست نخواهد آورد.

ذخیره سازی غیرمتمرکز در مقیاس کوچک:

در خود شبکه، باتری ها می توانند به عنوان نوعی واحد ذخیره سازی پمپ شده مینیاتوری عمل کنند. اگر در آینده سیستم‌های غیرمتمرکز بیشتری برای تولید برق در پشت بام‌های مردم داشته باشیم به دستگاه‌های ذخیره‌سازی در مقیاس کوچک برای انجام تعادل شبکه محلی نیاز خواهیم داشت مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی پمپی، باتری‌ها را می‌توان برای متعادل کردن سریع تولید و تقاضا استفاده کرد. ونسا وود پروفسور  در (ETH) می گوید: از آنجایی که اندازه باتری را می توان به راحتی با برنامه تنظیم کرد، آنها برای استفاده به عنوان دستگاه های ذخیره انرژی غیرمتمرکز در ساختمان ها مناسب هستند.

هنگامی که باتری ها با پنل های فتوولتائیک ترکیب می شوند می توانند فشار را از شبکه با ارائه ذخیره محلی برق اضافی برای چند دقیقه یا چند ساعت کاهش دهند. با این حال، اگر تمام انرژی خورشیدی تولید شده در زمان‌های اوج مصرف در مناطق مسکونی با تعداد محدودی از نیروگاه‌های برق آبی ذخیره در کوه‌ها تغذیه شوند این می‌تواند منجر به ایجاد گلوگاه‌هایی در شبکه شود. باتری در حال تکامل سریع برای استفاده در خانه ها و وسایل نقلیه الکتریکی است. آخرین پیشرفت ها شامل اولین باتری های مورد استفاده در مقیاس جامعه است که برای متعادل کردن نوسانات کوتاه مدت برق در سطح محله طراحی شده اند.

وود که تحقیقاتی را برای درک محدودیت‌های باتری‌های موجود و نشان دادن مفاهیم جدید باتری انجام می‌دهد، می‌گوید: گام کلیدی بعدی، کارآمدتر کردن باتری‌ها است تا بتوانند چرخه‌های شارژ بیشتری را قبل از از دست دادن عملکرد کامل کنند. در عین حال، ما باید جایگزین هایی برای مواد خام مشکل ساز پیدا کنیم و روش هایی را برای بازیافت باتری ها با هزینه کم و بدون استفاده از انرژی زیاد توسعه دهیم. محققان در سراسر جهان در حال حاضر روی راه حل برای آنها کار می کنند.

ذخیره سازی فصلی انرژی حرارتی:

در یک سیستم انرژی ایده آل، ما از نیروی خورشیدی مازاد تولید شده در تابستان برای پاسخگویی به افزایش تقاضا برای گرمایش در زمستان استفاده می کنیم. ذخیره مقادیر زیاد برق در یک دوره چند ماهه هنوز از نظر مالی مقرون به صرفه نیست اما یک راه برای انتقال نور خورشید در تابستان به ماه های زمستان وجود دارد ذخیره انرژی حرارتی. فناوری مقرون به صرفه ای در حال حاضر در دسترس است و در کشورهایی مانند دانمارک به خوبی تثبیت شده است. با این حال، ذخیره انرژی حرارتی موضوعی نسبتاً نادیده گرفته شده در سوئیس است.

فناوری ذخیره سازی انرژی حرارتی فصلی (STES) گرما را در تابستان جذب می کند و در زمستان آن را آزاد می کند. آنها به مخازن بزرگ گرمایی مانند حوضچه ها، مخازن یا لایه های آبدار زیرزمینی نیاز دارد. اینها آب گرمی را که در تابستان با استفاده از پمپ های حرارتی و انرژی خورشیدی مازاد گرم می شود ذخیره می کنند. با تغییر تولید گرما به ماه های تابستان سیستم های (STES) تقاضای برق را در زمستان کاهش می دهند و به کاهش شکاف انرژی کمک می کنند. محققان معتقدند ذخیره انرژی حرارتی نقش مهمی در آینده در سوئیس خواهد داشت.

ذخیره سازی در حامل های انرژی:

تنها یک راه برای ذخیره سازی برق به طور نامحدود، حداقل برای آینده وجود دارد. آنها می گویند اگر در تابستان به نقطه‌ای برسیم که تمام گزینه‌های ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت را تمام کرده‌ باشیم و همچنان برق مازاد در دسترس داشته باشیم تنها در آن زمان باید به فکر تبدیل آن به یک حامل انرژی ذخیره‌ساز باشیم. ایده، استفاده از نیروی اضافی برای الکترولیز آب به هیدروژن و اکسیژن است. سپس می توان هیدروژن را به شکل مناسبی ذخیره کرد و در زمستان با استفاده از یک توربین گاز یا پیل سوختی به گرما و برق تبدیل کرد. در روش دیگر، هیدروژن را می توان با (CO2) جذب شده ترکیب کرد تا متان مصنوعی تولید کند. این نه تنها چگالی و انرژی بالاتری دارد، بلکه می تواند مستقیماً با شبکه گاز موجود تغذیه شود. تنها یک مرحله اضافی برای به دست آوردن سوخت های مایع بدون کربن برای حمل و نقل هوایی یا کشتیرانی کافی است.

هنوز هیچ یک از این روش ها ایجاد نشده است و بسیاری از آنها از نظر مالی مقرون به صرفه نیستند. گازهای سنتز مطمئناً می توانند به عنوان یک وسیله ذخیره بلندمدت برای انرژی خورشیدی تولید شده در تابستان عمل کنند اما بیشتر روش های مورد استفاده برای تبدیل مجدد آنها به گرما و برق ناکارآمد هستند. کارآمدترین راه برای استفاده از الکتریسیته اضافی انتقال مستقیم آن به کانال دیگری مانند شارژ خودروهای الکتریکی است.

باتری های گرانشی و ذخیره انرژی هوای فشرده:

وقتی صحبت از ذخیره سازی کوتاه مدت انرژی می شود نیروگاه های برق آبی و باتری های پمپ شده تنها گزینه نیستند. باتری های گرانشی انرژی بالقوه را ذخیره می کنند و سپس آن را به الکتریسیته تبدیل می کنند. اما به جای استفاده از آب، انرژی پتانسیل را در جرمی ذخیره می کنند که مثلاً توسط جرثقیل بالا و پایین می شود. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی با هوای فشرده جایگزین دیگری است هرچند کمی کارآمدتر است. آنها با پمپاژ هوا به مخزن یا مخزن برای تولید هوای فشرده کار می کنند. سپس می توان از آن برای راندن یک توربین گاز برای جبران سریع عدم تعادل بار در شبکه استفاده کرد. اگرچه مقدار معینی از گرما در طول فشرده سازی از دست می رود، بیشتر گرمای تولید شده را می توان با ذخیره سازی و در دسترس قرار دادن مجدد آن هنگام تخلیه بازیابی کرد. یک گزینه کارآمدتر اما در عین حال گران‌تر چرخ فلایویل است که از نظر ظرفیت به باتری‌ها نزدیک‌تر هستند اما انرژی را به شکل انرژی جنبشی چرخشی تنها برای چند دقیقه در یک زمان ذخیره می‌کنند تا بار دیگر به تثبیت نیرو در شبکه کمک کنند.

شبکه های برق هوشمند:

همه محققان مشتاق هستند بر این نکته تاکید کنند که سیستم های ذخیره سازی فیزیکی تنها گزینه نیستند. همچنین رویکردهای دیگری وجود دارد که به طور غیرمستقیم مانند ذخیره سازی عمل می کنند و به انعطاف پذیری بیشتر سیستم کمک می کنند. به عنوان مثال شبکه های برق دیجیتالی و خودکار می توانند تولید و مصرف را در زمان واقعی نظارت کنند تا بهترین استفاده را از منابع موجود داشته باشند.

هاگ کارشناس شبکه می گوید: در آینده، کنترل شبکه هوشمند به ما این امکان را می دهد تا با شبکه های برق نزدیک به حداکثر محدودیت هایشان کار کنیم. اگر این کار با موفقیت انجام شود سیستم را کارآمدتر می کند و نیاز به ذخایر عملیاتی را کاهش می دهد. تقاضا همچنین باید انعطاف پذیرتر شود تا بتوانیم از برق موجود در هر مقطع زمانی بیشترین استفاده را ببریم.  خودروهای الکتریکی باتری های متحرکی هستند که می توانند به جذب پیک در تولید فتوولتائیک در روز کمک کنند. این امر مستلزم استقرار ایستگاه‌های شارژ در مکان‌هایی است که وسایل نقلیه معمولاً روز را در آنجا سپری می‌کنند، مانند محل‌های کار، پارک خودرو و فضاهای پارکینگ نزدیک به مرکز شهر.

انرژی وارداتی:

بر اساس محاسبات (ESC) سوئیس باید تولید برق خود را در زمستان افزایش دهد. علاوه بر ایجاد ذخایر برق آبی، این به معنای سرمایه‌گذاری در نیروگاه‌های فتوولتائیک آلپاین، نیروگاه‌های زمین گرمایی یا نیروگاه‌های گازی است که با بیوگاز یا گاز سنتز کار می‌کنند. با این حال هاگ ایده خودکفایی را رد می کند زیرا هر تلاشی از سوی سوئیس برای برآوردن تمام نیازهای برق خود هم ناکارآمد و هم بسیار پرهزینه خواهد بود. بنابراین سوئیس به تولید برق کمتر از نیاز خود ادامه خواهد داد که به معنای وابستگی مداوم به انرژی وارداتی خواهد بود. هاگ می‌گوید: مدل‌های ما نشان می‌دهد که یک سیستم انرژی ایمن و مقرون‌به‌صرفه نیز نیازمند انتقال آرام و مؤثر برق از کشورهای اطراف است.

برخلاف سوئیس، اروپای شمالی در زمستان برق زیادی دارد زیرا کشورهایی مانند دانمارک سرمایه‌گذاری زیادی در تولید برق بادی انجام داده‌اند که در زمستان به اوج خود می‌رسد. بنابراین، سوئیس می‌تواند در زمستان نیروی بادی وارد کند و در تابستان انرژی خورشیدی را به شکل انرژی آبی ذخیره‌سازی پمپ‌شده صادر کند تا به سرعت عدم تعادل بار در شبکه را اصلاح کند. این یک رویکرد معقول است زیرا وقتی کشورها ظرفیت های مختلف تولید خود را از طریق تجارت برق متعادل می کنند همه سود می برند. با این حال فقدان توافقنامه برق، تجارت فرامرزی برق با اتحادیه اروپا را دشوار می کند. هاگ می گوید: به همین دلیل است که دسترسی قانونی به بازار برق اروپا گام مهمی برای سوئیس خواهد بود اگر بخواهد انتقال موفقیت آمیزی به انرژی های تجدیدپذیر داشته باشد. سوئیس نه تنها به ترکیب گسترده ای از فناوری ها، بلکه به ترکیبی از راه حل های مختلف از تولید انرژی غیرمتمرکز گرفته تا توافق نامه های تجاری بین المللی نیاز دارد.